Потери полного давления в КС

В камере сгорания имеют место потери полного давления. Потери энергии газового потока приводят к снижению полного КПД и ухудшению экономичности двигателя. В то же время наличие перепада давлений на КС, вызванного потерями, способствует надежному течению газа по тракту КС. Поэтому стараются удержать величину потерь полного давления в компромиссных пределах – не более 5 %.

Потери полного давления в КС вызваны:

– подогревом газа (тепловые потери);

– гидравлическим сопротивлением (потери на трение);

– смешением струй в потоке.

Падение полного давления, обусловленное подогревом движущегося газа в КС, называется «тепловым сопротивлением».

Подогрев газа в КС, имеющего скорость с _КС > 0, всегда приводит к падению полного давления .

Физически это объясняется тем, что более нагретый газ сжимать «труднее» и при одной и той же величине адиабатической работы сжатия (равной по величине кинетической энергии потока), получаемой при торможении потока от скорости с _к (с _г) до нуля, у более нагретого газа давление повысится до меньшего значения:

С одной стороны, чем выше степень подогрева газа в КС , тем заметней эффект снижения полного давления.

С другой стороны, чем выше скорость газа на входе в КС λ_к, тем резче падает полное давление при увеличении  (рис. 1.7). Максимальная степень подогрева газа в КС  определяется скоростью на входе в КС λ_к. Чем выше значение λ_к, тем меньше значение возможной степени подогрева . Это объясняется тем, что рост скорости потока с _КС за счет работы расширения газа при подводе тепла в цилиндрическом канале ЖТ возможен только до значения λ_КС = (с _КС/ с _кр) = 1, после чего наступает «тепловое запирание» КС.

Это значит, что при дальнейшем увеличении  плотность газа продолжает уменьшаться, а скорость не растет, так как с _КС = с _кр = const (λ_КС = 1).

При F _КС = const располагаемый массовый расход газа  уменьшается и становится меньше потребного. КС не сможет пропустить весь поступающий в нее газ и будет оказывать дросселирующий эффект на расход воздуха М _в через ОК. Рабочая точка на характеристике компрессора будет смещаться в область с меньшими значениями М _пр, следовательно, меньшими Δ K _у до тех пор, пока не пересечет ГГУ (срыв в ОК).

В КС реальных ВРД λ_к = 0,07…0,13, поэтому «тепловое запирание» не наступает во всем диапазоне возможного изменения .

Потери полного давления, обусловленные наличием гидравлического сопротивления, наблюдаются, главным образом, в диффузоре перед входом в КС и во фронтовых устройствах. Эти потери могут быть определены по формуле

,                                         (1.2)

где ξ = 0,3168/Re^0,25 (при 4∙10³ < Re < 100∙10³) – коэффициент гидравлических потерь. У современных ГТД ξ = 8…12.

Потери полного давления, обусловленные смешением струй, возникают при подводе в жаровые трубы вторичного воздуха и вызваны поворотом и перемешиванием боковых струй с основным потоком, что приводит к уменьшению осевой скорости (кинетической энергии)

Суммарные потери полного давления в КС оцениваются коэффициентом сохранения полного давления:

,                                   (1.3)

или значением абсолютных потерь полного давления в процентах:

 

.                                      (1.4)

 

 

1.1.4.3. Характеристики основных КС

Зависимость η_г (α, )

Коэффициент полноты сгорания η_г является важнейшим параметром КС. Он учитывает как «химическую» неполноту сгорания, вызванную диссоциацией продуктов сгорания с образованием альдегидов вместо продуктов полного сгорания Н₂О и СО₂, так и «механическую», которая проявляется в отложении сажи, коксовании форсунок, уносе части не прореагировавшего топлива потоком воздуха за пределы двигателя.

От величины η_г зависит величина эмиссии вредных веществ в ГТД.

На величину η_г влияют α, р _к, , с _к, n, тонкость распыла и другие параметры. Зависимости η_г (α, р _к, , с _к, n) называются эксплуатационными характеристиками КС.

Значение η_{г max} достигается при α_Σ = 3…5 (α₁ = 0,8…1,0 в зоне горения) (рис. 1.8). При обеднении смеси  пламя уменьшается в объеме из-за недостатка топлива. ПС, смешиваясь с избыточным (не прореагировавшим) воздухом, охлаждаются . При уменьшении температуры горения замедляются химические реакции окисления, и не все топливо успевает прореагировать, что приводит к снижению η_г. При значительном возрастании α возможно наступление срыва пламени по бедной смеси (Т _ПС < Т _{ПС min}).

При обогащении ТВС  избыточное (не прореагировавшее) топливо испаряется и охлаждает ПС . Одновременно часть избыточного топлива термически разлагается при недостатке кислорода с образованием углерода в твердой фазе (сажа). Все это приводит к снижению η_г (см. рис. 1.9). При значительном уменьшении α возможен срыв пламени по богатой смеси (Т _ПС < Т _{ПС min}).

При уменьшении  задерживается испарение капель, следовательно, ухудшается смесеобразование, уменьшается скорость горения, что приводит к снижению η_г (см. рис. 1.8).

Зависимость η_г

При увеличении H или уменьшении M полета уменьшается , что приводит к снижению η_г (рис. 1.9) вследствие:

– снижения турбулентности потока (из-за уменьшения числа Re), следовательно, снижения интенсивности теплопередачи, что приводит к замедлению процесса смешения и распространения пламени;

– уменьшения расхода воздуха М _в, сопровождающегося снижением М _т для сохранения α = const ().

Снижение М _т обеспечивается уменьшением давления подачи р _ф, следовательно, сни­жением Δ р _ф, что приводит к ухудшению качества рас­пыла топлива, увеличению диаметра капель, которые легко пролетают через КС, не успев полностью испариться и сгореть.

Зависимость η_г(с _к)

При значении с _к ≈ 140 м/c полнота сгорания максимальная (рис. 1.10). При снижении с _к уменьшается число Re, что приводит к снижению η_г. Одновременно уменьшается расход воздуха М _в, следовательно, уменьшается М _т, что приводит к уменьшению Δ р _ф, увеличению диаметра капель и снижению η_г.

При увеличении с _к уменьшается время пребывания ТВС в зоне горения, что приводит к снижению η_г из-за того, что не все топливо успевает испариться и прореагировать.

Зависимость η_г(n)

При уменьшении частоты вращения ротора n снижается , следовательно, уменьшается М _в, уменьшается М _т, что приводит к уменьшению Δ р _ф и росту диаметра капель, вследствие чего снижается η_г (рис. 1.11). Одновременно из-за уменьшения р _к снижается турбулентность потока (из-за уменьшения числа Re), следовательно, снижается интенсивность теплопередачи, что приводит к замедлению процесса смешения и распространения пламени

Вывод: устойчивость горения в КС ГТД, зависящая от величины η_г, снижается при увеличении высоты H полета  и при уменьшении n (дросселирование двигателя).

При дросселировании двигателя  на больших высотах полета H высока вероятность срыва пламени в КС, поэтому иногда вводят ограничения по возможности дросселирования двигателя на больших высотах полета.

 

1.1.4.4. Организация горения в форсажных камерах сгорания